FR3106620A1 - Systeme thermodynamique de production d’energie comportant deux turbomachines presentant chacune un arbre de transmission - Google Patents

Systeme thermodynamique de production d’energie comportant deux turbomachines presentant chacune un arbre de transmission Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un système (1) de production d’énergie électrique pour véhicule, notamment automobile, comportant une première turbomachine (10) comprenant un premier compresseur (11), un second compresseur (12), une première turbine (22), un refroidisseur intermédiaire (14) disposé entre le premier compresseur (11) et le second compresseur (12), une première chambre de combustion (21), ledit système (1) comportant en outre une seconde turbomachine (30) comportant une seconde turbine (32), une seconde chambre de combustion (31) et une génératrice d’électricité (50), ledit système (1) étant caractérisé en ce qu’il comporte un premier arbre de transmission (13) reliant ensemble le premier compresseur (11), le second compresseur (12) et la première turbine (22) et en ce qu’il comporte un second arbre de transmission (23) reliant ensemble la seconde turbine (32) et la génératrice d’électricité (50), et en ce qu’il comporte un récupérateur (40) commun auxdites turbomachines (10) et (30). Figure 1

Description

SYSTEME THERMODYNAMIQUE DE PRODUCTION D’ENERGIE COMPORTANT DEUX TURBOMACHINES PRESENTANT CHACUNE UN ARBRE DE TRANSMISSION
L’invention se rapporte à un système thermodynamique de production d’énergie électrique mettant en œuvre plusieurs turbomachines. Ce système est notamment destiné aux véhicules hybrides.
Afin de réduire les émissions polluantes provenant des véhicules à moteur, il est connu de l’art antérieur d’incorporer une turbine à gaz dans les systèmes de propulsion des véhicules hybrides. Pour se mouvoir, les véhicules hybrides utilisent soit l’énergie provenant d’un moteur thermique, ce dernier étant alimenté par un carburant, tel que le gasoil, l’essence, l’éthanol, le méthanol ou le gaz naturel, soit l’énergie électrique. L’énergie électrique peut être directement produite par un système de production d’électricité intégré au véhicule ou provenir de la batterie intégrée au véhicule. Certains véhicules hybrides sont également rechargeables. Les turbogénérateurs, par exemple composés d’une turbine à gaz et d’une génératrice d’électricité, ont ainsi pour rôle de produire cette énergie électrique et permettent de diminuer les émissions de dioxyde de carbone et d’autres polluants atmosphériques tels que les oxydes d’azote. Le cycle de Brayton est un cycle thermodynamique mettant en œuvre une turbine à gaz. Il présente des performances remarquables en termes de réduction de rejets polluants. Par exemple, il est connu de l’état de la technique un système de turbine à gaz mettant en œuvre un tel cycle, décrit dans la demande de brevet WO2011/152049, comprenant une unité de turbine à gaz comportant un premier compresseur pour comprimer un fluide de travail, une chambre de combustion dans laquelle un combustible est injecté dans le fluide de travail provenant du premier compresseur et brûlé, une première turbine d’expansion dilatant les gaz de combustion générés dans la chambre de combustion, la première turbine d’expansion étant reliée au premier compresseur par un premier arbre et un réservoir à combustible contenant le combustible pour alimenter la chambre de combustion. Le système de turbine à gaz comprend en outre un circuit de circulation de combustible permettant au combustible contenu dans le réservoir à combustible de circuler à travers celui-ci. Le fluide de travail, dont la pression a été augmentée au moyen du premier compresseur, est extrait de l’unité de turbine à gaz. Le système de turbine à gaz comprend également un générateur de fluide de refroidissement comprenant une unité de refroidissement apte à refroidir le fluide de travail extrait de l’unité de turbine à gaz au moyen du combustible lors de sa circulation dans le circuit de circulation de combustible et une seconde turbine d’expansion assurant l’expansion du fluide de travail sortant de l’unité de refroidissement.
Il est également connu de l’art antérieur la demande de brevet WO2010/132439 divulguant la combinaison des principes d’un moteur à turbine à gaz et d’un système de transmission électrique. Cette demande de brevet divulgue plus précisément un procédé et un appareil permettant d’utiliser des éléments métalliques et céramiques afin de stocker de l’énergie thermique provenant d’un système de freinage par récupération. L’énergie électrique regénérée est utilisée pour fournir un stockage d’énergie supplémentaire par rapport aux procédés de stockage électrique conventionnels adaptés aux moteurs à turbine à gaz. Cette demande de brevet concerne l’obtention d’un frein moteur pour un moteur à turbine à gaz ainsi que la réduction de la consommation de carburant.
Les dispositifs et les procédés de l’art antérieur proposent de stocker l’énergie électrique produite en excès dans des batteries, des éléments métalliques ou des éléments céramiques. L’inconvénient principal de ces solutions est d’augmenter la masse embarquée par les véhicules et, par conséquent, d’augmenter leur consommation énergétique. En outre, les batteries, les éléments métalliques et céramiques occupent un volume non négligeable dans les véhicules où ces solutions sont mises en œuvre.
Le but de l’invention est donc de pallier les inconvénients de l’art antérieur en proposant un système thermodynamique de production d’électricité pour véhicule présentant un haut rendement énergétique tout en occupant un moindre volume comparé aux systèmes de l’art antérieur.
Pour ce faire, l’invention se rapporte ainsi, dans son acception la plus large , à un système de production d’énergie électrique comportant une première turbomachine comprenant un premier compresseur, un second compresseur, une première turbine, un refroidisseur intermédiaire disposé entre le premier compresseur et le second compresseur, ledit système comportant une deuxième turbomachine comprenant une deuxième turbine et une génératrice d’électricité, ledit système étant caractérisé en ce qu’il comporte un premier arbre de transmission reliant ensemble ledit premier compresseur, ledit second compresseur et ladite première turbine et en ce qu’il comporte un second arbre de transmission reliant ensemble ladite deuxième turbine et ladite génératrice d’électricité.
Grâce au système de production d’énergie électrique selon l’invention, la masse du véhicule mettant en œuvre l’invention est moindre, comparée aux systèmes de l’état de la technique, entraînant ainsi une moindre consommation de carburant. En outre, le système selon l’invention occupe un volume moins important que les systèmes de l’art antérieur.
De préférence, ladite première turbomachine et ladite deuxième turbomachine sont reliées via au moins une chambre de combustion.
De préférence, ledit système comporte une première chambre de combustion disposée entre ledit second compresseur et ladite première turbine et une deuxième chambre de combustion disposée entre ladite première turbine et ladite deuxième turbine.
De préférence, ledit système comporte une première chambre de combustion disposée entre ledit second compresseur et ladite deuxième turbine et une deuxième chambre de combustion disposée entre ladite première turbine et ladite deuxième turbine.
De préférence, ledit système comporte un récupérateur commun à la dite première turbomachine et à ladite deuxième turbomachine.
Avantageusement, ledit récupérateur est relié à ladite première turbine.
Avantageusement, ledit récupérateur est relié à ladite deuxième turbine.
De préférence, ledit système comporte une génératrice d’électricité supplémentaire disposée entre ledit second compresseur et ladite première turbine, ladite génératrice d’électricité supplémentaire étant reliée audit premier arbre de transmission.
De préférence, ledit système comporte une génératrice d’électricité supplémentaire reliée audit premier compresseur et audit premier arbre de transmission.
De préférence, lesdites première et deuxième turbines sont des turbines à gaz.
Selon un mode préféré, lesdites première et deuxième turbines sont des turbines axiales.
Selon un mode préféré, lesdites première et deuxième turbines sont des turbines radiales.
Avantageusement, la température de fonctionnement desdites première et deuxième turbines est inférieure ou égale à 950°C.
On décrira ci-après, à titre d’exemples non limitatifs, plusieurs formes d’exécution de la présente invention, en référence aux figures annexées sur lesquelles:
illustre schématiquement un système thermodynamique selon un premier mode de réalisation de l’invention;
illustre schématiquement un système thermodynamique selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
En référence à la figure 1, il est représenté de manière schématique un système thermodynamique 1 de production d’énergie électrique selon un premier mode de réalisation de la présente invention. Ledit système 1 comporte une première turbomachine 10 comprenant un premier compresseur 11, un second compresseur 12 et une première turbine 22 reliés ensemble au moyen d’un premier arbre de transmission 13 et un refroidisseur intermédiaire 14. Ledit refroidisseur intermédiaire 14 est aussi appelé échangeur de chaleur, il permet d’évacuer la chaleur du fluide de travail vers l’extérieur et abaisse ainsi la température dudit fluide de travail. Ledit système 1 comporte en outre une deuxième turbomachine 30 comprenant une deuxième turbine 32 et une génératrice d’électricité 50 reliée à ladite deuxième turbine 32 au moyen d’un second arbre de transmission 23. Avantageusement une première chambre de combustion 21 est disposée entre ledit second compresseur 12 et ladite première turbine 22. Avantageusement, une deuxième chambre de combustion 31 relie la première turbomachine 10 et la deuxième turbomachine 30. Ledit système 1 comprend également un récupérateur 40 disposé entre ledit second compresseur 12 et ladite première turbine 22. Avantageusement ledit récupérateur 40 est également relié à la seconde turbine 32. Un premier flux dudit fluide de travail traverse ledit récupérateur 40 provenant dudit compresseur 12 et circule vers ladite première turbine 22 et un deuxième flux dudit fluide de travail traverse ledit récupérateur 40 provenant de ladite turbine 32.
Ledit fluide de travail transite tout d’abord par ledit premier compresseur 11 qui le compresse, permettant ainsi d’augmenter la pression dudit fluide de travail puis ledit fluide de travail est refroidi par ledit refroidisseur intermédiaire 14 puis ledit fluide de travail transite par ledit second compresseur 12, permettant d’augmenter de nouveau la pression dudit fluide de travail. Typiquement ledit fluide de travail sort du compresseur 12 à une température égale ou inférieure à 200°C. Avantageusement, ledit récupérateur 40 permet d’améliorer le rendement dudit système 1 en réchauffant ledit fluide de travail sortant desdits premier et second compresseurs 11, 12 grâce audit fluide de travail provenant de ladite seconde turbine 32 qui est à une température plus élevée. Dans un autre mode de réalisation, ledit deuxième fluide de travail provient de la sortie de ladite première turbine 22. Ledit fluide de travail traverse ensuite ladite première turbine 22 et subit une première détente. De préférence, le système 1 comporte ladite première chambre de combustion 21 qui est disposée avant l’entrée de ladite première turbine 22, ledit fluide de travail se déplaçant au travers de ladite première chambre de combustion 21, a ainsi une température plus élevée pour permettre une détente plus importante lors du passage dudit fluide de travail au travers de ladite turbine 22. Ensuite ledit fluide de travail se déplace vers ladite deuxième turbomachine 30. De manière préférée, le système 1 comporte ladite deuxième chambre de combustion 32 permettant d’augmenter la température dudit fluide de travail une nouvelle fois lorsque ledit fluide de travail passe au travers de ladite deuxième chambre de combustion 31. Ledit fluide de travail traverse ensuite ladite seconde turbine 32 et subit une détente, qui est alors une détente complète, c’est à dire jusqu’à atteindre la pression atmosphérique. Ladite première détente et ladite deuxième détente permettent respectivement auxdites première et seconde turbines 22, 32 de se mettre en action. Seule ladite première turbine 22 est reliée par ledit premier arbre de transmission 13 audit second compresseur 12, permettant ainsi à ladite première turbine 22 de démarrer la rotation dudit premier compresseur 11 et dudit second compresseur 12 grâce à ladite première détente dudit fluide de travail.
Ladite génératrice d’électricité 50 produit l’énergie électrique pour une batterie de véhicule grâce au travail fourni par ladite turbine 32.
Dans un autre mode de réalisation, une génératrice d’électricité supplémentaire est disposée entre ledit second compresseur 12 et ladite première turbine 22. Ladite seconde génératrice d’électricité supplémentaire, ledit second compresseur 12 et ladite première turbine 22 sont reliés au moyen dudit premier arbre de transmission 13.
Dans un autre mode de réalisation, le système 1 comporte une génératrice d’électricité supplémentaire reliée audit premier compresseur 11 et audit premier arbre de transmission 13.
Dans un autre mode de réalisation, le système 1 ne comporte pas de récupérateur 40.
En référence à la figure 2, il est représenté de manière schématique un système thermodynamique 100 de production d’énergie électrique selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention. Ledit système 100 comporte une première turbomachine 110 comprenant un premier compresseur 11, un second compresseur 12 et une première turbine 22, reliés ensemble au moyen d’un premier arbre de transmission 13 et un refroidisseur intermédiaire 14. Ledit refroidisseur intermédiaire 14 est aussi appelé échangeur de chaleur, il permet d’évacuer la chaleur du fluide de travail vers l’extérieur et abaisse ainsi la température dudit fluide de travail. Ledit système 100 comporte en outre une deuxième turbomachine 130 comprenant une deuxième turbine 32 et une génératrice d’électricité 50 reliée à ladite deuxième turbine 32 au moyen d’un second arbre de transmission 23. Avantageusement une première chambre de combustion 21 est disposée entre ledit second compresseur 12 et ladite deuxième turbine 32. Avantageusement, une deuxième chambre de combustion 31 relie la première turbomachine 110 et la deuxième turbomachine 130. Ledit système 100 comprend également un récupérateur 40 disposé entre ledit second compresseur 12 et ladite deuxième turbine 32. Avantageusement, ledit récupérateur 40 est relié à la seconde turbine 22. Un premier flux dudit fluide de travail traverse ledit récupérateur 40 provenant dudit compresseur 12 et circule vers ladite deuxième turbine 32, un deuxième flux dudit fluide de travail traverse ledit récupérateur 40 provenant de ladite turbine 22.
Ledit fluide de travail transite tout d’abord par ledit premier compresseur 11 qui le compresse, permettant ainsi d’augmenter la pression dudit fluide de travail puis ledit fluide de travail est refroidi par ledit refroidisseur intermédiaire 14 puis ledit fluide de travail transite par ledit second compresseur 12, permettant d’augmenter encore la pression dudit fluide de travail. Typiquement ledit fluide de travail sort du second compresseur 12 à une température égale ou inférieure à 200°C. Ledit récupérateur 40 permet d’améliorer le rendement dudit système 100 en réchauffant ledit fluide de travail sortant desdits premier et second compresseurs 11, 12 grâce audit fluide de travail provenant de ladite première turbine 22 qui est à une température plus élevée. Dans un autre mode de réalisation, ledit deuxième fluide de travail provient de la sortie de ladite deuxième turbine 32. Dans un mode de réalisation préféré, la température dudit fluide de travail est une nouvelle fois augmentée lors de sa traversée dans ladite chambre de combustion 21. Ensuite ledit fluide de travail se déplace vers ladite deuxième turbomachine 130. Ledit fluide de travail traverse ladite deuxième turbine 32 et subit une première détente. Dans un mode de réalisation préféré, la température dudit fluide de travail est de nouveau augmentée par ladite seconde chambre de combustion 31. Ensuite ledit fluide de travail traverse ladite première turbine 22 et subit une détente, qui est une détente complète, c’est à dire jusqu’à atteindre la pression atmosphérique. Ladite première détente et ladite deuxième détente permettent respectivement auxdites première et seconde turbines 22, 32 de se mettre en action. Seule ladite première turbine 22 est reliée par ledit premier arbre de transmission 13, permettant ainsi à ladite première turbine 22 de démarrer la rotation dudit premier compresseur 11 et dudit second compresseur 12 grâce à ladite deuxième détente dudit fluide de travail.
Ladite génératrice d’électricité 50 produit l’énergie électrique pour une batterie de véhicule grâce au travail fourni par ladite turbine 32. Dans un autre mode de réalisation, une seconde génératrice d’électricité est disposée entre ledit second compresseur 12 et ladite première turbine 22. Ladite seconde génératrice d’électricité supplémentaire, ledit second compresseur 12 et ladite première turbine 22 sont reliés au moyen dudit premier arbre de transmission 13.
Dans encore un autre mode de réalisation, le système 100 comporte une génératrice d’électricité supplémentaire reliée audit premier compresseur 11 et audit premier arbre de transmission 13.
Dans encore un autre mode de réalisation, le système 100 ne comporte pas de récupérateur 40. Avantageusement, lesdites première et seconde turbines 22, 32 sont toutes deux de conception axiale, il est alors connu que la direction de l’écoulement dudit fluide de travail est principalement orientée suivant l’axe de rotation de la turbine.
Dans un autre mode de réalisation lesdites première et seconde turbines 22, 32 sont toutes deux de conception radiale, il est alors connu que l’écoulement dudit fluide de travail suit des trajectoires dans des plans perpendiculaires à l’axe de rotation.
Dans un mode de réalisation préféré, lesdites première et seconde turbines 22, 32 sont des turbines à gaz.
La présente invention peut être mise en œuvre dans des véhicules hybrides comportant un moteur thermique de type essence ou diesel.

Claims (10)

  1. Système (1, 100) de production d’énergie électrique pour véhicule, notamment automobile, comportant une première turbomachine (10, 110) comprenant un premier compresseur (11), un second compresseur (12), une première turbine (22) et un refroidisseur intermédiaire (14) disposé entre ledit premier compresseur (11) et ledit second compresseur (12), ledit système (1, 100) comportant en outre une deuxième turbomachine (30, 130) comprenant une deuxième turbine (32) et une génératrice d’électricité (50), ledit système (1, 100) étant caractérisé en ce qu’il comporte un premier arbre de transmission (13) reliant ensemble ledit premier compresseur (11), ledit second compresseur (12) et ladite première turbine (22) et caractérisé en ce qu’il comporte un second arbre de transmission (23) reliant ensemble ladite deuxième turbine (32) et ladite génératrice d’électricité (50).
  2. Système (1, 100) selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite première turbomachine (10, 110) et ladite deuxième turbomachine (30, 130) sont reliées via au moins une chambre de combustion (21, 31).
  3. Système (1, 100) selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu’il comporte une première chambre de combustion (21) disposée entre ledit second compresseur (12) et ladite première turbine (22) et une deuxième chambre de combustion (31) disposée entre ladite première turbine (22) et ladite deuxième turbine (32).
  4. Système (1, 100) selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu’il comporte une première chambre de combustion (21) disposée entre ledit second compresseur (12) et ladite deuxième turbine (32) et une deuxième chambre de combustion (31) disposée entre ladite première turbine (22) et ladite deuxième turbine (32).
  5. Système (1, 100) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comporte un récupérateur (40) commun à ladite première turbomachine (10, 110) et à ladite deuxième turbomachine (30, 130).
  6. Système (1, 100) selon la revendication 5 caractérisé en ce que ledit récupérateur (40) est reliée à ladite première turbine (22).
  7. Système (1, 100) selon la revendication 5 caractérisé en ce que ledit récupérateur (40) est reliée à ladite deuxième turbine (32).
  8. Système (1, 100) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comporte une génératrice d’électricité supplémentaire disposée entre ledit second compresseur (12) et ladite première turbine (22), ladite génératrice d’électricité supplémentaire étant reliée audit premier arbre de transmission (13).
  9. Système (1, 100) selon l’une quelconques des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu’il comporte une génératrice d’électricité supplémentaire reliée audit premier compresseur (11) et audit premier arbre de transmission (13).
  10. Système (1, 100) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites première et deuxième turbines (22,32) sont des turbines à gaz.
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